CN103600144A - 楔形流道电解加工海量阵列微小凹坑的方法及装置 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种楔形流道电解加工海量阵列微小凹坑的方法及装置，属电解加工技术领域。首先对掩模板的表面进行处理，使其与工件阳极的表面贴合；将楔形工具阴极固定在掩模板上方，与掩模板之间形成楔形流道；将工件阳极和楔形工具阴极分别与电源正负极相连；在楔形流道内通入电解液，电解液通过掩模板上的贯穿群孔到达工件阳极表面；接通电源进行电解加工。将流道设置为楔形，使电场强度和电解液流速沿流道方向递增，使工件沿流道方向腐蚀强度和速度都趋于一致，提高电解加工均匀性和加工精度。将PDMS模板作为掩模板能保证掩模板与工件阳极结合强度，有效减弱电解液对加工区域周围的杂散腐蚀，提高电解加工的定域性和均匀性。

Description

楔形流道电解加工海量阵列微小凹坑的方法及装置
技术领域
本发明涉及一种楔形流道电解加工海量阵列微小凹坑的方法及装置，属电解加工技术领域。
背景技术
一般机械装置系统中都存在各种各样的摩擦副，这些摩擦副的摩擦学行为，不仅影响机械系统的工作性能和运行效率，甚至是导致其失效的主要因素。据调查统计，工业化国家能源的30%消耗于机械摩擦，同时，大约有80%的零件失效是由各种形式的机械摩擦磨损引起的。因此控制摩擦、减小磨损和改善润滑性能已成为节约能源和原材料的重要手段。
以色列的I.Etsion等人是国际上较早采用激光加工技术加工出表面织构的学者，并从理论分析和实验验证两方面研究了表面织构对活塞环－缸套摩擦副摩擦学性能的影响，取得了许多重要学术成果。实验结果表明，凹坑的深度与直径比在0.1-0.18之间时，有表面织构的活塞环与缸套的平均摩擦力比无织构时减小了20-25%。同时，表面织构的图案形状、大小及分布密度等对摩擦副的摩擦学性能都有着显著影响。近几年，随着研究的不断深入，研究人员已形成共识：摩擦副表面的微小凹坑阵列具有极佳的抗磨减摩性能。
摩擦副表面织构制造加工方法主要包括激光加工表面织构技术，磨料气射流技术、电火花加工技术、电解加工技术等。其中，电解加工是利用金属材料在电解液中的电化学阳极溶解原理将阳极工件加工成形的一种特种加工工艺，其具有加工范围广、生产效率高、表面质量好、工具无损耗等突出优点。
目前国内外使用电解加工微小凹坑阵列的方法主要有：（1）、照相电解。该方法首先经光刻工艺在工件表面形成镂空图案，然后通过电化学方法在工件表面形成所需图案。该方法加工过程繁琐，生产效率比较低，制造成本高。（2）、群电极电解加工。使用一排电极分几次加工完成或使用群电极一次加工完成。该方法制造群坑深度的一致性很难保证。（3）、固定阴极加工。将带有贯穿群孔结构、表面附有绝缘层的工具阴极直接与工件紧密贴合，阴阳极接通电源后进行电解加工，在工件表面得到群坑结构。该方法加工效率高，成本低廉。但在海量阵列群小凹坑加工中，容易出现群小凹坑沿流道方向均匀性差，进液区质量好，出液区杂散腐蚀比较大的缺陷。
发明内容
本发明提出了一种楔形流道电解加工海量阵列微小凹坑的方法及装置，以解决现有技术在海量阵列微小凹坑加工中，容易出现微小凹坑沿流道方向均匀性差，进液区凹坑质量好，出液区凹坑杂散腐蚀严重的技术问题。
为了解决上述技术问题，本发明提供了一种楔形流道电解加工海量阵列微小凹坑的方法，其特征在于包括以下步骤：
1)对具有贯穿群孔且群孔结构一致的掩模板表面进行处理；
2)将掩模板与工件阳极的表面紧密贴合；
3)将楔形工具阴极固定在掩模板上方，与掩模板之间形成楔形流道；
4)将工件阳极和楔形工具阴极分别与电源正负极相连；
5)在楔形流道内通入电解液，电解液通过掩模板上的贯穿群孔到达工件阳极表面；
6)接通电源进行电解加工。
作为改进，所述步骤1)为：利用常压等离子表面处理机对具有贯穿群孔且群孔结构一致的掩模板的表面进行处理，提高其与金属的结合强度。
作为改进，所述掩模板为PDMS模板。
作为改进，所述电解液的压强为0.1-0.5MPa。
作为改进，所述楔形流道角度为1-10°。
本发明还提供了一种楔形流道电解加工海量阵列微小凹坑的方法的装置，用于对工件阳极表面进行电解加工，其特征在于：包括楔形工具、掩模板，所述楔形工具具有阳阴极，所述掩模板上具有结构一致的贯穿群孔，所述掩模板紧密贴合在工件阳极表面，所述楔形工具阴极固定在掩模板上方，与掩模板之间形成楔形流道。
作为改进，所述掩模板为PDMS模板。
作为改进，所述楔形流道角度为1-10°。
本发明的有益效果在于：（1）、通过将流道设置为楔形，使流道内的电场强度和电解液流速与传统的等间距流道相比沿流道方向递增，使整个工件沿流道方向腐蚀强度和速度都趋于一致，提高电解加工均匀性和加工精度；（2）、用经过等离子处理过的PDMS模板作为掩模板能够保证掩模板与工件阳极有较高的结合强度，可以防止电解液流入掩模板与工件阳极之间的缝隙，有效减弱加工区域周围的杂散腐蚀，提高电解加工的定域性和均匀性。
附图说明
图1  本发明楔形流道电解加工海量阵列微小凹坑示意图； 
图2  本发明楔形阴极示意图；
图3  本发明楔形流道内流速分布图；
图4  本发明沿楔形流道方向流速曲线图；
图5  本发明楔形流道内电场分布图；
图6  本发明沿楔形流道方向电场曲线图；
图中标号：1-楔形工具，2-楔形流道，3-掩模板，4-工件，5-电解液，6-电源。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作具体说明。
本发明楔形流道电解加工海量阵列微小凹坑的方法，具体包括以下步骤：
1) 利用常压等离子表面处理机对具有贯穿群孔且群孔结构一致的掩模板3的表面进行处理，提高其与金属的结合强度；
2)将掩模板3与工件4阳极的表面紧密贴合；
3)将楔形工具1阴极固定在掩模板3上方，与掩模板3之间形成楔形流道2；
4)将工件4阳极和楔形工具1阴极分别与电源6正负极相连；
5)在楔形工具1阴极和掩模板3之间的楔形流道2内通入电解液，电解液5通过掩模板3中的贯穿群孔到达工件4阳极表面；
6)接通电源6进行电解加工。
上述掩模板3可采用PDMS模板，PDMS模板上贯穿有结构一致的群孔，保证电解液体与工件阳极之间有规则地接触。
电解过程中，为保证电解液5的合理流动速度，可对电解液5施加一定压强，其压强优选为0.1-0.5MPa。
为了保证整个工件沿楔形流道方向腐蚀速度更加一致，楔形流道2角度优选设置为1-10°。
本发明的楔形流道电解加工海量阵列微小凹坑的方法的装置，用于对工件4阳极表面进行电解加工，其包括楔形工具1、掩模板3，楔形工具1具有阳阴极，掩模板3上具有结构一致的贯穿群孔，所述掩模板3紧密贴合在工件4阳极表面，所述楔形工具1阴极固定在掩模板3上方，与掩模板3之间形成楔形流道2，工件4阳极和楔形工具1阴极分别与电源6正负极相连。
上述掩模板3可采用PDMS模板，PDMS模板上贯穿结构一致的群孔，保证电解液体与工件阳极之间有规则地接触。
为了保证整个工件沿楔形流道2方向腐蚀速度更加一致，楔形流道2角度优选设置为1-10°。 
本发明使用PDMS模板作为掩模板，同时利用楔形阴极与工件阳极组成楔形流道进行电解加工。通过利用有限元技术的计算分析，楔形流道内电场强度和电解液流速与传统的等间距流道相比沿流道方向递增，如图3、图4、图5、图6所示。腐蚀速度与电场强度和电解液电导率的关系如下：
Figure 822094DEST_PATH_IMAGE001
其中：
Figure 636466DEST_PATH_IMAGE002
随着电解加工的进行，电解产物在电解液流动方向增加，造成沿入口到出口方向电导率下降，而从入口到出口电场强度递增，能够均衡流道方向的腐蚀速度；电解液流速的增大，一方面能够更加有效地带走电解过程产生的热量，减小焦耳热对电解加工的影响；另一方面，随着电解加工的进行，使电解产物在电解液流动方向增加，电解液速度的增加能够加强产物的排除，有利于电解液的更新；通过调整楔形流道的倾斜角度和电解液流速，使整个工件沿流道方向腐蚀强度和速度都趋于一致，提高电解加工均匀性和加工精度。经过等离子处理过的PDMS模板能够保证模板与工件阳极有较高的结合强度，可以防止电解液流入掩模板与工件阳极之间的缝隙，有效减弱加工区域周围的杂散腐蚀，提高电解加工的定域性和均匀性。
以上描述并不能理解为对本发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干改进，这些均应落入本发明的保护范围。

Claims (8)

1.一种楔形流道电解加工海量阵列微小凹坑的方法，其特征在于包括以下步骤：
1)对具有贯穿群孔且群孔结构一致的掩模板(3)表面进行处理；
2)将掩模板(3)与工件(4)阳极表面紧密贴合；
3)将楔形工具(1)阴极固定在掩模板(3)上方，与掩模板(3)之间形成楔形流道(2)；
4)将工件(4)阳极和楔形工具(1)阴极分别与电源(6)正负极相连；
5)在楔形流道(2)内通入电解液(5)，电解液(5)通过掩模板(3)上的贯穿群孔到达工件(4)阳极表面；
6)接通电源(6)进行电解加工。
2.根据权利要求1所述的一种楔形流道电解加工海量阵列微小凹坑的方法，其特征在于所述步骤1)为：利用常压等离子表面处理机对具有贯穿群孔且群孔结构一致的掩模板(3)的表面进行处理，提高其与金属的结合强度。
3.根据权利要求1所述的一种楔形流道电解加工海量阵列微小凹坑的方法，其特征在于：所述掩模板(3)为PDMS模板。
4.根据权利要求1所述的一种楔形流道电解加工海量阵列微小凹坑的方法，其特征在于：所述电解液的压强为0.1-0.5MPa。
5.根据权利要求1所述的一种楔形流道电解加工海量阵列微小凹坑的方法，其特征在于：所述楔形流道(2)角度为1-10°。
6.一种实现权利要求1至5任一项所述的楔形流道电解加工海量阵列微小凹坑的方法的装置，用于对工件(4)阳极表面进行电解加工，其特征在于：包括楔形工具(1)、掩模板(3)，所述楔形工具(1)具有阳阴极，所述掩模板(3)上具有结构一致的贯穿群孔，所述掩模板(3)紧密贴合在工件(4)阳极表面，所述楔形工具(1)阴极固定在掩模板(3)上方，与掩模板(3)之间形成楔形流道(2)。
7.根据权利要求6所述的实现楔形流道电解加工海量阵列微小凹坑的方法的装置，其特征在于：所述掩模板(3)为PDMS模板。
8.根据权利要求6所述的实现楔形流道电解加工海量阵列微小凹坑的方法的装置，其特征在于：所述楔形流道(2)角度为1-10°。
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